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Emergences

Lettre d'information n° 14

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Le couteau suisse du débruitage

Logiciel développé pour mieux observer la vie cellulaire, ND-Safir (INRIA-INRA) suscite l'intérêt de la communauté scientifique mais aussi des industriels de l'imagerie biologique et médicale et de la microscopie, tant en France qu'aux Etats-Unis, comme l'explique Charles Kervrann, directeur de recherche à l'Inria Rennes - Bretagne Atlantique.

Logiciel développé pour mieux observer la vie cellulaire, ND-Safir (INRIA-INRA) suscite l'intérêt de la communauté scientifique mais aussi des industriels de l'imagerie biologique et médicale et de la microscopie, tant en France qu'aux Etats-Unis, comme l'explique Charles Kervrann, directeur de recherche à l'Inria Rennes - Bretagne Atlantique.

“Le spectre est large, prévient Charles Kervrann. Pour le grand public, ce logiciel peut servir à enlever les effets de grilles sur des images venant d'être scannées. Sur une photo d'une vieille toile de maître, il est capable de supprimer les craquelures liées au vieillissement de la peinture. Il "rajeunit" un tableau comme "à l'origine". En débruitage vidéo classique, il est aussi performant. Il se positionne parmi les trois ou quatre meilleurs du genre en imagerie 2D et en vidéo. Mais tout cela, pour nous, c'est le côté "jouet", car ces applications ne sont pas du domaine d'applications prioritairement visé.

En effet, ND-Safir est d'abord conçu pour la microscopie dynamique et l'imagerie cellulaire voire médicale. “Il débruite par exemple des images issues de microscopie de fluorescence, où l'on compte des photons à une résolution spatiale de 200 nanomètres, ou encore des images de microscopie électronique mesurant des interactions d'électrons avec la matière à la résolution de 5-10 nanomètres. Il peut aussi  réduire les effets du "speckle" (1), ce grain présent sur les échographies. Toutes ces images n'ont rien à voir entre elles. Pourtant, c'est le même algorithme qui travaille.

Outil générique

ND-Safir dispose d'un “premier module chargé de convertir le bruit observé sur les données en un bruit plus conventionnel  ou bruit blanc gaussien (2). Le second module a pour charge de supprimer ce bruit et améliore donc l'image. En quelque sorte, nous normalisons le bruit. Nous pré-mâchons le travail pour que l'algorithme itératif soit en terrain connu et effectue toujours la même opération. Le premier module est spécifique à un domaine. Nous devons l'adapter pour chaque métier. Mais ensuite, l'outil est générique. Un utilisateur qui dispose déjà de données corrompues par bruit analogue à un bruit blanc gaussien peut d'ailleurs utiliser le logiciel directement.

Une cinquantaine de licences ont été accordées, ou sont sur le point de l'être, à des laboratoires de recherche académique dans le monde. “Ils se servent de l'outil pour traiter des images obtenues en microscopie photonique, en microscopie électronique ou en échographie. La dissémination est en partie déjà effectuée dans les milieux académiques et de plus en plus industriels, notamment grâce aux efforts de collaboration avec l'Institut Curie/PICT-IBiSA.”  Disponible sous Windows, Linux et Mac, ND-Safir peut être interfacé par des logiciels comme Matlab ou ImageJ (3).

Nous terminons aussi une version parallélisée  -l'algorithme s'y prête bien-  afin de réduire le temps de calcul. En outre, ce temps de traitement est connu à l'avance pour une image donnée. C'est appréciable quand l'utilisateur veut planifier des tâches, programmer une série de débruitage sur de gros volumes. C'est parfois le cas dans l'industrie pharmaceutique. En "imagerie High Content Screening" (4), ce qu'on appelle des cribles, il faut analyser des milliers de cellules pour repérer celle qui présenterait éventuellement un comportement atypique.” Pour ces criblages de masse gourmands en calculs, des prestataires utilisant des architectures parallèles pourraient d'ailleurs facturer des services de débruitage sur une base horaire. Pour le client, cette sous-traitance peut coûter moins cher que d'acheter la technologie et l'infrastructure.

Diminuer la photo-toxicité

La qualité du débruiteur permet aussi de préserver l'intégrité du tissu vivant. “Habituellement, pour avoir peu de bruit au départ, il faut illuminer l'échantillon. Celui-ci se dégrade alors sous l'effet de la lumière. Un bon débruitage permet de réduire les durées d'exposition, pour être moins toxique, moins invasif. D'une manière générale, l'idée est d'abaisser la dose d'électrons, de photons ou de rayons X. Diminuer par exemple le rayonnement d'un facteur 10 présente un avantage évident pour la santé du patient dans un contexte biomédical. Mais il y a aussi un impact économique : la séance de rayons dure 10 fois moins longtemps. En une même journée, un hôpital peut traiter plus de personnes. Or dans le domaine médical, il faut parfois attendre deux ou trois mois pour pouvoir passer un examen pour certaines modalités d'imagerie.

Autant de raisons qui amènent des industriels à s'intéresser, eux aussi, à ces travaux. “Nous avons eu d'abord une collaboration avec Innopsys, un fabricant toulousain de scanners pour l'acquisition de données biopuces (5). Notre algorithme de débruitage constitue la partie traitement du signal. Il complète le système optique.

Intégration dans les microscopes

Autre partenaire : la branche française de Roper Scientific, concepteur de détecteurs (caméras de très haute sensibilité) pour la microscopie. Ces appareils peuvent coûter un à deux millions d'euros. “Le partenariat associe Roper, l'Inria et l'Institut Curie, centre de recherche sur le cancer. Les ingénieurs de l'entreprise sont présents physiquement dans cet institut. Ils voient fonctionner l'algorithme au quotidien. Ils perçoivent bien son intérêt et collaborent très étroitement à son développement. Nous pensons continuer à améliorer le débruiteur grâce au contact avec cet industriel proche de la recherche académique. Les interactions multiples peuvent faire émerger des problématiques nouvelles ou suggérer des évolutions pour répondre à des demandes particulières.

Le prochain chapitre de ND-Safir pourrait s'écrire en Californie. “Avec notre collègue américan John Sedat d'une part et  Jean-Baptiste Sibarita6 et Jean Salamero  (Institut Curie, PICT IBiSA) d'autre part, nous avons évalué le bénéfice du débruitage également en microscopie photonique haute résolution. L'instrument mis au point aux USA permet une analyse à une résolution spatiale de 100 nanomètres. La barrière de diffraction, jusque là infranchissable, limitait la microscopie optique à 200 nanomètres.” Baptisée OMX, la machine expérimentale de l'équipe John Sédat intégrera peut-être le débruiteur dans une version commerciale à venir.

Notes :
(1) Aussi appelées chatoiement ou tavelures, ce sont des taches fluctuantes qui donnent un aspect granuleux à une image provenant d'un faisceau de lumière.

(2) Réalisation d'un processus aléatoire qui suit une loi normale gaussienne dont la densité spectrale de puissance est constante pour toutes les fréquences.

(3) Un logiciel de traitement et d'analyse d'images initialement développé pour des applications biomédicales.

(4) Ou HCS. Criblage à haut débit  sur cellules vivantes.

(5) Ou puce à ADN. La biopuce permet d'analyser des gènes. C'est un ensemble de molécules d'ADN fixées sur une petite surface de verre, de silicium ou de plastique.

(6) UMR5091-CNRS, Université Bordeaux 2, Institut  Francois Magendie.


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